science >> Wetenschap >  >> Fysica

In-plane coherente controle van plasmonresonanties voor plasmonisch schakelen en coderen

Schematische diagrammen van twee opstellingen voor coherente controle in het vlak van plasmonresonanties. een Fiber-waveguide interferometer. b Donkerveld (DF) confocale microscoop, waar aan kwartverlichting kan worden voldaan door 3/4 gebied van de ringvormige opening te blokkeren. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Licht dat invalt op metalen nanodeeltjes kan de collectieve beweging van elektronen initiëren, veroorzaakt een sterke versterking van het lokale elektromagnetische veld. Dergelijke plasmonische resonanties spelen een belangrijke rol bij biosensing met het vermogen om de resolutie en gevoeligheid te verbeteren die nodig zijn om deeltjes op de schaal van het enkele molecuul te detecteren. De beheersing van plasmonresonanties in metaapparaten heeft potentiële toepassingen in volledig optische, licht-met-licht signaalmodulatie en beeldverwerking. Rapporten hebben de coherente controle buiten het vlak van plasmonresonanties aangetoond door metadevices in staande golven te moduleren. Bij optische apparaten, licht kan langs de oppervlakken worden overgedragen voor een ongekende controle van plasmonen. Wanneer oscillaties in geleidende elektronen worden gekoppeld aan lichtfotonen, gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR) kunnen fungeren als informatiedragers voor optische sensoren van nanoformaat en in computers.

In een recente studie, Liyong Jiang en collega's van de Nanjing University of Science and Technology demonstreerden twee methoden voor in-plane verlichting van LSPR's als een proof-of-principle in gouden nanodisks. De resultaten van hun werk toonden aan dat de LSPR's in verschillende toestanden konden worden geschakeld door het invallende licht aan te passen om logische gegevens in ketens te coderen op een manier die tot nu toe niet mogelijk was met out-of-plane verlichting. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Aanzienlijke inspanningen in het afgelopen decennium waren gewijd aan het bestuderen van licht-materie-interacties op nanoschaal in plasmonische systemen. De mogelijkheid om LSPR te beheersen heeft geleid tot veel praktische toepassingen, inclusief baanbrekende voorbeelden zoals:

  1. Oppervlakteverbeterde Raman-verstrooiing
  2. Plasmon golfgeleiders
  3. Moleculaire heersers
  4. Biosensing en biobeeldvorming
  5. Nanolasers
  6. Plasmonische holografie
  7. Tunnelknooppunten, en
  8. Metalen.

In-plane coherente controle van plasmonresonanties in gouden nanodiskmonomeren. een, b Berekende genormaliseerde absorptiespectra van gouden nanoschijfmonomeren met een diameter variërend van 140 tot 200 nm voor s-gepolariseerde in-plane plangolf die van de rechterkant (stippellijn) of beide zijden (ononderbroken lijn) komt zonder fasevertraging, of met een fasevertraging van π. "F" en "H" vertegenwoordigen fundamentele en hoge-orde plasmonresonanties. c–e De overeenkomstige ruimtelijke verdelingen van de amplitude van het elektrische veld |E|, reëel deel Re(Ez), en denkbeeldig deel Im(Ez) voor de "F"- en "H"-modi (vierkante en cirkelvormige tekens) van het representatieve gouden nanoschijfmonomeer (D = 160 nm) onder asymmetrische en symmetrische in-plane verlichting. Onder symmetrische in-plane verlichting, we kunnen fasevertragingsafhankelijke destructieve / constructieve interferentie waarnemen voor de "F" en "H" -modi. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Tijdens de beginfase van de ontwikkeling, wetenschappers concentreerden zich op het beheersen van LSPR door configuraties van de plasmonische nanostructuren te ontwerpen. Ze begrepen de grootte- en vormafhankelijke LSPR van enkele plasmonische nanodeeltjes en gekoppelde plasmonische systemen op basis van de klassieke Mie-theorie en gevestigde plasmonische hybridisatiemodellen. Aanvullend, de lichtstraal verlichtte typisch het monsteroppervlak vanuit één richting in conventionele optische studies van enkele en gekoppelde nanoantennes.

Hoewel de mogelijkheid om plasmonresonanties te regelen via out-of-plane verlichting een nieuwe weg heeft geopend om signalen te moduleren, het proces heeft beperkingen getoond. Als resultaat, Jiang et al. gerapporteerd over coherente controle in het vlak van plasmonresonanties in typische metalen nanoantennes. De wetenschappers leverden een proof-of-principle-demonstratie van plasmonische schakel- en coderingstoepassingen voor enkele en gekoppelde gouden nanodisks.

Om coherente controle in het vlak van plasmonresonanties in het laboratorium te bereiken, de wetenschappers stelden twee mogelijke experimentele opstellingen voor. Een daarvan was gebaseerd op een fiber-waveguide interferometer, die tijdens experimenten voor uitdagingen stonden. In vergelijking, de tweede methode omvatte een handiger, veelgebruikte donkerveld confocale microscopie setup. In deze, aan de voorwaarde van volledig symmetrische verlichting in het vlak kon vroeg worden voldaan wanneer het ingangslicht op het midden van het monster werd gefocusseerd. Om asymmetrische in-plan verlichting te construeren, de wetenschappers blokkeerden driekwart van het gebied van de ringvormige opening. Jiang et al. toonde aan dat de opstelling geschikt was om plasmonische nanostructuren te bestuderen met afmetingen die vergelijkbaar zijn met de gefocusseerde vlekgrootte van de invallende lichtstraal.

Demonstratie van de elektrische veldverdelingsregel voor het 200 nm gouden nanodisk-monomeer en dimeer door s-SNOM. een schema van de s-SNOM-meting voor s-s- en s-p-excitatie-collectieconfiguraties. De golflengte van de excitatielaser is 633 nm en de invalshoek ten opzichte van het vlak van het substraat is 30°. b Berekende genormaliseerde absorptiespectra van 200 nm gouden nanoschijfmonomeer en dimeer bij een invalshoek van 30° onder asymmetrische (stippellijn) of symmetrische (ononderbroken lijn) verlichting zonder fasevertraging. De spleetgrootte in het dimeer is 30 nm. c Atomic-force microscopische (AFM) afbeeldingen van gouden nanoschijfmonomeer en dimeer voor s-s- en s-p-metingen. De rode pijl vertegenwoordigt de invalsrichting van de laser en de blauwe stippellijn vertegenwoordigt de centrale as van de nanodisk. NS, e Experimentele en gesimuleerde ruimtelijke verdelingen van de amplitude |A|, fase , en reëel deel van elektrisch-veldcomponent Ey in s-s-meting en Ez in s-p-meting voor 200 nm gouden nanoschijfmonomeer en dimeer. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Om de gouden nanoschijfmonsters op siliciumdioxide/silica (SiO 2 /Si) substraten, Jiang et al. gebruikte elektronenstraallithografie (EBL) naast een opstijgproces. Ze voltooiden het fabricageproces door het substraatoppervlak te coaten met een gouden film en een onderliggende chroom (Cr) adhesielaag met behulp van elektronenstraalverdamping. De wetenschappers bestudeerden vervolgens coherente controle in het vlak van plasmonresonanties in de gouden nanoschijven en berekenden de absorptiespectra van gouden nanoschijfmonomeren variërend van diameters van 140 tot 200 nm; vervaardigd op de SiO 2 /Si substraat oppervlak.

In productie, ze hebben de distributieregel van elektrische veldcomponenten vastgesteld en experimenteel geverifieerd om destructieve en constructieve plasmonresonanties in een axisymmetrische plasmonische nanostructuur te realiseren. Ze lieten zien hoe de coherente controle in het vlak van plasmonresonanties sterk afhankelijk was van de configuratie en symmetrie van plasmonische nanostructuren, vergeleken met coherente controle buiten het vlak. Deze functie kan vrijheid bieden bij het afstemmen en engineeren van meerdere plasmonresonanties in andere axisymmetrische plasmonstructuren, waaronder nanosferen, nanostaafje, nano vlinderdas en nanostructuur polymeren.

Demonstratie van plasmonische omschakeling door middel van donkere veld (DF) verstrooiingsmeting van gouden nanoschijfmonomeer en dimeer. een genormaliseerde DF-verstrooiingsspectra van gouden nanoschijfmonomeer met een diameter van 200 nm (SEM-afbeelding) onder volledige en kwartverlichting. b De bijbehorende genormaliseerde gesimuleerde verstrooiings- en absorptiespectra. C, d Genormaliseerde gemeten en gesimuleerde DF-verstrooiingsspectra van gouden nanoschijfdimeer met een diameter van 200 nm en een spleetgrootte van 30 nm (SEM-beeld) onder volledige en kwartverlichting. De rode vaste curven in c zijn de afvlakkingsresultaten. De schaalbalk in SEM-afbeeldingen is 200 nm. e, f Polarisatiediagrammen van volledige en kwart verlichting in de DF-verstrooiingsmeting en simulatie voor gouden nanoschijfmonomeer en dimeer. In zowel experiment als simulatie, de excitatie is s- of p-gepolariseerd en de verzameling is ongepolariseerd. De zwarte en rode tweekoppige pijlen vertegenwoordigen de initiële polarisatie en de polarisatie na het scherpstellen, respectievelijk. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Om de plasmonresonantiemodi in gouden nanoschijven in beeld te brengen, gebruikten de wetenschappers een polarisatiegevoelige s-SNOM-techniek, die licht kan detecteren op nanometerschaal direct onder de punt van de atomic force microscopische (AFM) sonde. De wetenschappers gebruikten een s-s/s-p-geometrieschema en gebruikten een diëlektrische (Si) punt voor metingen. Ze verlichtten het monster met behulp van laserstraling met een invallend licht van 30 0 ten opzichte van het vlak van de ondergrond. Jiang et al. de amplitude en fase van het verstrooide signaal gemeten op basis van de vierde harmonische van de tip-tapping-frequentie van de AFM-tip. Ze gebruikten een analysator voor de detector om de s- of p-gepolariseerde component van het verstrooide licht te selecteren.

Demonstratie van plasmonische omschakeling door middel van donkere veld (DF) verstrooiingsmeting van gouden nanoschijfmonomeer en dimeer. een genormaliseerde DF-verstrooiingsspectra van gouden nanoschijfmonomeer met een diameter van 200 nm (SEM-afbeelding) onder volledige en kwartverlichting. b De bijbehorende genormaliseerde gesimuleerde verstrooiings- en absorptiespectra. C, d Genormaliseerde gemeten en gesimuleerde DF-verstrooiingsspectra van gouden nanoschijfdimeer met een diameter van 200 nm en een spleetgrootte van 30 nm (SEM-beeld) onder volledige en kwartverlichting. De rode vaste curven in c zijn de afvlakkingsresultaten. De schaalbalk in SEM-afbeeldingen is 200 nm. e, f Polarisatiediagrammen van volledige en kwart verlichting in de DF-verstrooiingsmeting en simulatie voor gouden nanoschijfmonomeer en dimeer. In zowel experiment als simulatie, de excitatie is s- of p-gepolariseerd en de verzameling is ongepolariseerd. De zwarte en rode tweekoppige pijlen vertegenwoordigen de initiële polarisatie en de polarisatie na het scherpstellen, respectievelijk. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Jiang et al. demonstreerde ook plasmonische schakeling met donkere veld (DF) verstrooiingsmetingen van een gouden nanodisk monomeer of dimeer. In de experimentele opstelling gebruikten ze een confocaal Raman-microscopiesysteem om de verstrooiingsspectra te meten. Vervolgens gebruikten ze in de handel verkrijgbare softwarepakketten om numerieke simulaties in het onderzoek uit te voeren. De simulaties omvatten elektrische veldverdelingen, absorptie- en verstrooiingsspectra voor gouden nanoschijven. Ze simuleerden de complexe elektromagnetische parameters voor goud en chroom die in de experimentele opstelling waren verwerkt, gebaseerd op eerdere publicaties.

Plasmonische codering in gouden nanoschijfketens. a Berekende absorptiespectra van gouden nanoschijfketens bestaande uit verschillende aantallen nanoschijven verlicht door de s-gepolariseerde in-plane plangolf afkomstig van de rechterkant (stippellijn) of beide zijden (ononderbroken lijn). De diameter van de nanoschijf is 140 nm en de scheidingsafstand is 30 nm. De destructieve en constructieve plasmonresonanties worden weergegeven door groene en rode kleuren, respectievelijk. b Ruimtelijke verdelingen van elektrische veldamplitude |E| voor de "F" plasmonresonanties (piekpositie) onder symmetrische verlichting. c Gesneden elektrische veldamplitudeverdelingen langs de rand van de ketting (de witte stippellijn in b). d–g Overeenkomstige ruimtelijke verdelingen van het reële en imaginaire deel van Ez wanneer de s-gepolariseerde in-plane plangolf van de linkerkant komt (d, f) en rechterkant (e, g) respectievelijk. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1

Op deze manier, Jiang et al. toonde proof-of-principle plasmonische switching en codering in de studie. Ze verwachten meer potentiële toepassingen op basis van het aangetoonde vermogen voor coherente controle in het vlak van plasmonresonantie. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen de methode gebruiken om selectieve oppervlakte-versterkte spectra te bestuderen, waarbij het fotoluminescentie- of Raman-signaal van meerdere moleculen selectief kan worden versterkt. Hierdoor kan de aan/uit-status van meerdere plasmonresonanties in een gemeenschappelijke nano-antenne worden gecontroleerd. De wetenschappers stellen voor om het plasmonische coderingsschema dat in de studie werd aangetoond, uit te breiden tot plasmonische beeldvorming, nano-lasing en optische communicatie in nanocircuits. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen plasmonische nanostructuurketens combineren met verschillende coderingskenmerken om logische poorten te bouwen (voor Booleaanse logische bewerkingen) en om meerkanaals golfgeleiders te ontwerpen voor volledig optische informatieopslag en -processen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat doen onze lichaamscellen met zuurstof?
  2. Dennen kappen:eerder vroeger dan later doen is beter voor fynbos
  3. Wat zijn de gespecialiseerde cellen die vasculair weefsel vormen?
  4. Amerikaans sage hoenbeleid keert terug naar af
  5. Een modelhart maken met materialen uit uw huis
  6. Nieuwe mutaties in iPS-cellen zijn voornamelijk geconcentreerd in niet-transcriptionele regio's
  7. Van Alaska tot Amazonia:de eerste wereldwijde kaarten met eigenschappen die de groei van vegetatie stimuleren
  8. Hoe het Jeruzalem-syndroom werkt
  9. Wat hebben we geleerd van het Human Genome Project?

Wetenschap